當(dāng)前高中開展人工智能教學(xué)的新思考

摘 要：為了滿足國家對人工智能發(fā)展戰(zhàn)略的需求，在高中階段開展人工智能教育，對于促進該技術(shù)的普及與發(fā)展，發(fā)掘更多潛在的人才都具有重要的意義。本文首先分析當(dāng)前最新的人工智能技術(shù)進展情況，再比較國內(nèi)外的人工智能教育現(xiàn)狀，從人工智能教育所需的基礎(chǔ)知識、軟硬件平臺，應(yīng)用演示著手，討論了如何在高中開展人工智能教育，并提出了基于云平臺的方法，實現(xiàn)人工智能教育在高中教學(xué)的開展。

關(guān)鍵詞：人工智能；高中教學(xué)；新思考

一、 人工智能概述

人工智能技術(shù)在歷史上曾經(jīng)歷過幾次高潮和低谷。最近幾年，隨著芯片技術(shù)的提高，人工智能技術(shù)又迎來一個新的發(fā)展高潮期。人工智能的概念在不同的歷史時期體現(xiàn)出不同的含義，在實現(xiàn)上也存在巨大的差別。傳統(tǒng)的人工智能并不具備學(xué)習(xí)的能力，而機器學(xué)習(xí)實際上是在用大量數(shù)據(jù)和算法去“自我訓(xùn)練”，從而學(xué)會如何完成一項任務(wù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是機器學(xué)習(xí)算法的一種，用計算機模仿人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)機器學(xué)習(xí)的功能（如圖一所示）。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿照人的神經(jīng)元系統(tǒng)設(shè)計，從而具備一定的學(xué)習(xí)的能力，復(fù)雜的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱為深度學(xué)習(xí)。實際上，是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)推動了今天人工智能技術(shù)的大爆發(fā)。人工智能、機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的關(guān)系（如圖二所示）。

二、 高中人工智能教育的必要性

當(dāng)前，人工智能技術(shù)在一些特定領(lǐng)域取得應(yīng)用。比較典型的應(yīng)用包括人臉識別、語音識別，潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療、金融和自動駕駛等。我國政府已經(jīng)把人工智能當(dāng)成一項國家戰(zhàn)略來發(fā)展，于2017年制定和發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》。根據(jù)該計劃，到2030年，我國的人工智能理論、技術(shù)與應(yīng)用總體達到世界領(lǐng)先水平，成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心。在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，提出實施全民人工智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣。高中階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，不僅可以提高學(xué)生對人工智能的興趣，還可以為高等學(xué)校培養(yǎng)具有一定人工智能知識和素養(yǎng)的合格學(xué)生。然而，如何在高中階段建設(shè)人工智能課程，尤其是面向當(dāng)前深度學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能課程，還面臨諸多挑戰(zhàn)。本文將在分析國內(nèi)外人工智能教育現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，討論如何在高中開展人工智能教育。

三、 國內(nèi)外現(xiàn)狀高中人工智能教育現(xiàn)狀

早在2003年，教育部正式頒布普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗），首次在信息技術(shù)科目中設(shè)立了“人工智能初步”選修課程。無錫第一中學(xué)的《初識人工智能》課程，可以進行機器證明、模式識別、自然語言處理、人機博弈和智能機器人等內(nèi)容的演示，但課時較少，只能實現(xiàn)普及知識的作用。福州第八中學(xué)的人工智能課程，教授基本的人工智能理論，使用Prolog語言進行教學(xué)與實踐。從現(xiàn)有文獻看，國內(nèi)高中階段的人工智能教學(xué)基于上一代的人工智能技術(shù)，其案例過于陳舊，與當(dāng)前的人工智能發(fā)展?fàn)顩r不符合。傳統(tǒng)的人工智能教育有時候過于重視競賽，缺乏必要的課程建設(shè)，像機器人等教學(xué)難以深入課堂。2018年教育部公布了《普通高中課程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，在此次“新課標(biāo)”改革中，正式將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理正式劃入新課標(biāo)?！叭斯ぶ悄堋闭n程仍然作為選修課程。相比于2003版課標(biāo)，此次公布的“新課標(biāo)”中，在課程選擇上仍然給予學(xué)生較大的選擇空間，但提升了在編程、計算思維、算法方面的要求，以及人工智能、開源硬件、網(wǎng)絡(luò)空間安全等知識面要求。

國外也有不少文獻介紹在高中階段展開人工智能教育。美國的德雷塞爾大學(xué)為高中階段的機器學(xué)習(xí)開發(fā)了一套教學(xué)系統(tǒng)，基于簡化的K均值聚類算法實現(xiàn)硬幣、細菌分類等功能，結(jié)合討論課程以加深學(xué)習(xí)與理解?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)面向高中學(xué)生開設(shè)人工智能的大學(xué)預(yù)科課程，有專門的網(wǎng)站提供包括參考的教材和資料，以及詳細的可用案例。歐洲的部分地區(qū)也開展了面向高中的人工智能教育探索，其中分析了高中人工智能教育的可能性，提出高中的人工智能教育可以為大學(xué)的計算機專業(yè)提供大量的候選人才，也建議基于歐盟的相關(guān)教學(xué)推廣機構(gòu)來實現(xiàn)高中階段的人工智能教育。

從國內(nèi)外的文獻看，在美國一些有條件的高中開設(shè)適合高中學(xué)生知識背景的機器學(xué)習(xí)課程，其主要面向優(yōu)秀的學(xué)生，并作為大學(xué)的預(yù)備課程。中國的人工智能技術(shù)研究起步并不晚，也積累了一定的技術(shù)實力和人才儲備。當(dāng)前國內(nèi)高中階段的人工智能教育受思想認識、教材建設(shè)、教學(xué)教法、教學(xué)條件等因素制約外，師資也比較匱乏。另一方面，當(dāng)前的人工智能技術(shù)更新很快，編程語言的發(fā)展很快，亟需更新課程。

四、 可行性分析

高中的人工智能教學(xué)，其主要目的應(yīng)該是提高學(xué)生的人工智能知識素養(yǎng)，使學(xué)生通過學(xué)習(xí)實踐，感受和增強人工智能的理念，初步掌握人工智能有關(guān)的技術(shù)原理，為以后提供學(xué)習(xí)的動力和方向；也使學(xué)生在以后遇到發(fā)展選擇時能進行具備一定的思考和掌握能力。本文將從人工智能教育所需的基礎(chǔ)知識、軟硬件平臺、應(yīng)用演示著手，討論如何在高中開展人工智能教育。

五、 計算機編程基礎(chǔ)

高中的人工智能教育需要首先普及一定的計算機及編程原理。目前很多地區(qū)從小學(xué)開始進行計算機教育，到了高中階段，學(xué)生可以具備一定的基礎(chǔ)。當(dāng)前，機器學(xué)習(xí)中可以被使用的語言也有很多，常用的有MATLAB、Python、Java、C/C++等。這些語言中，C/C++或者Python是用得比較多的語言，尤其是Python語言其受歡迎程度較高，可以作為一種優(yōu)先選擇的編程語言。隨著計算機編程課程的普及，以后會有越來越多的高中學(xué)生具備一定編程能力，為實現(xiàn)人工智能教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)。

六、 數(shù)學(xué)與邏輯基礎(chǔ)

數(shù)學(xué)與邏輯基礎(chǔ)是掌握人工智能所需的另外基礎(chǔ)知識。雖然實際應(yīng)用的人工智能與機器學(xué)習(xí)往往要求較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但也有部分的機器學(xué)習(xí)算法可以通過簡單的數(shù)學(xué)方法加以實現(xiàn)。比如當(dāng)前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器學(xué)習(xí)，更多地模仿人腦的行為，其數(shù)學(xué)知識可以比較簡單。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中可以只用到簡單的乘法、加法，相對來說這部分的數(shù)學(xué)要求也并不高。在高中階段的教學(xué)中，對于簡單的應(yīng)用，甚至可以通過自己的努力實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，并進行簡單的分類學(xué)習(xí)和識別學(xué)習(xí)。此外，人工智能中涉及一些邏輯操作，如與、或、非、異或等邏輯運算操作。這部分知識體系當(dāng)前一般在大學(xué)的電子信息類專業(yè)課程進行講授，這些基本的邏輯操作概念對于高中學(xué)生來說也不難掌握?？偟膩碚f，通過簡單化、基本化以后，這部分知識對于高中學(xué)生的教學(xué)來說難度不大，不會影響人工智能的教學(xué)效果。

七、 軟硬件硬件平臺與應(yīng)用演示

可以演示的教育平臺是實現(xiàn)人工智能教學(xué)的重要組成部分，對培養(yǎng)學(xué)生的興趣非常有幫助，演示平臺包括軟件和硬件兩個部分組成。在上文的分析中指出，人工智能或者機器學(xué)習(xí)的核心部分可以使用簡單的數(shù)學(xué)和邏輯基礎(chǔ)來實現(xiàn)，但如果要實現(xiàn)基本的演示功能，整個人工智能程序里還需要包括大量的復(fù)雜程序。實際上，這些復(fù)雜的程序由特定的研究人員完成，一般的學(xué)習(xí)或者開發(fā)人員并不需要花很多的精力去重新完成這些功能，這些現(xiàn)有的軟件又稱為機器學(xué)習(xí)框架。這些機器學(xué)習(xí)框架，基本上都是開源的程序，網(wǎng)上有大量的資料。在人工智能教學(xué)中，機器學(xué)習(xí)框架可以認為是一種軟件平臺。

實現(xiàn)機器學(xué)習(xí)教學(xué)，還需要在一定的硬件平臺。比較經(jīng)濟實用的硬件平臺是通過云計算實現(xiàn)，比如騰訊和阿里云等都可以提供虛擬的計算機，在這種環(huán)境下安裝機器學(xué)習(xí)的框架，會更方便經(jīng)濟。當(dāng)前主要的人工機器學(xué)習(xí)包括圖像分類、語音識別等。這些應(yīng)用易懂、有趣，有大量的示例，在教學(xué)過程中可以獲得大量現(xiàn)成的教學(xué)資源。

利用云計算平臺，不依賴于特定的硬件平臺，會更加方便機器學(xué)習(xí)教學(xué)的推廣和應(yīng)用。當(dāng)前的人工智能人才還比較缺乏，一種比較好的方式是引入社會的機構(gòu)，提供教學(xué)案例的開發(fā)和軟硬件環(huán)境。當(dāng)前高校里有很多的研究人員進行人工智能的研究，一些有條件的附屬學(xué)校，可以利用這些資源進行人工智能教育的開展。由于國家還沒有專門的人工智能技術(shù)相關(guān)的科普和推廣機構(gòu)，為了適應(yīng)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，在這方面可以利用其他的社會資源，如高校的相關(guān)一些研究機構(gòu)。

八、 結(jié)論

本文基于當(dāng)前人工智能技術(shù)的最新發(fā)展，結(jié)合國家對人工智能發(fā)展戰(zhàn)略的需求，討論在高中階段開展人工智能教育的問題。本文分析了當(dāng)前最新的人工智能技術(shù)進展情況，比較了國內(nèi)外的人工智能教育現(xiàn)狀；從人工智能教育所需的基礎(chǔ)知識、軟硬件平臺、應(yīng)用演示著手，分析了高中開展人工智能教育的可行性方法，并提出了基于云計算平臺，依托第三方機構(gòu)的思路，實現(xiàn)人工智能教育在高中教學(xué)的開展，促進該技術(shù)的普及與發(fā)展，發(fā)掘更多潛在的人才。

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作者簡介：

陳泓吉，浙江省臺州市，天臺縣外國語學(xué)校。